陶瓷/金属复合装甲的基体性能对超声检测的影响

陈正林，张雪飞，王高潮,2，张慧丽，王兴国

(1.南昌职业学院 工程系， 南昌 330500； 2.南昌航空大学 材料科学与工程学院， 南昌 330063；3.景德镇陶瓷大学 机械电子工程学院，江西 景德镇 333403)

陶瓷/金属复合装甲的基体性能对超声检测的影响

陈正林1，张雪飞1，王高潮1,2，张慧丽1，王兴国3

(1.南昌职业学院 工程系， 南昌 330500； 2.南昌航空大学 材料科学与工程学院， 南昌 330063；3.景德镇陶瓷大学 机械电子工程学院，江西 景德镇 333403)

为了对陶瓷/金属复合装甲的金属基体性能变化进行检测和监测，采用波动方程和全局传递矩阵法，通过陶瓷/金属基体界面处应力和位移连续性的边界条件，建立了声波在陶瓷/金属基体介质中的频散特性数学模型，得到了声波在陶瓷/金属基体介质中的频散曲线，研究了陶瓷/金属复合装甲的金属基体性能物理参数变化对频散曲线影响。结果表明：陶瓷/金属基体介质中，频率小于0.8 MHz的S0模态声波对材料的变化较敏感，因此可以根据需要选择合适模态检测基体的密度和材料性能参数变化；当基体的厚度增加时，频散曲线整体上往右移动；频率小于1 MHz的S0模态更易用于检测陶瓷/金属复合装甲的基体厚度变化。为利用超声波检测监控陶瓷/金属复合装甲的基体物理参量性能变化提供了一定的理论依据。

复合装甲; 波动方程; 频散曲线; 检测监控

自古以来金属装甲作为一种常用的装甲被广泛使用着，但随着科技的发展社会的进步，为适应现代战争发展的需要，人们要求装甲易于加工和成型，有多次抗弹、耐震、抗冲击的能力、材料轻[1-3]。因此陶瓷/金属复合装甲作为一种兼有金属和陶瓷两者性能的新型装甲材料就逐步发展起来了，这样将韧性材料和高硬度的脆性材料结合到一起,在轻装甲、舰船、坦克、直升飞机和步兵防护中有很好的应用[4-6]。陶瓷/金属复合装甲是由陶瓷与金属或金属合金经粘结或压力加工等工艺组成的复合结构装甲，它将高硬度的脆性陶瓷和韧性较好的金属结合到一起，主要用较硬的陶瓷做迎弹面、具有良好韧性的金属材料做背板。这种结构具有比强度高、防护系数高、抗腐蚀、抗高温和抗氧化的优点[7]，使弹芯在侵彻装甲板的过程中降低弹的动能及侵彻能力，在现代装甲防护中起到重要的作用。但是在使用过程中，陶瓷/金属复合装甲金属基体往往主要承担更多载荷作用，金属性能是保证复合装甲各种性能能正常工作的先决条件，也决定了兵器装备的服役寿命。因此对在役过程中的陶瓷/金属复合装甲的金属基体性能检测与评价就显得尤为重要[8-10]。

目前国内外已有学者运用多种不同的手段和方法研究陶瓷/金属复合装甲的金属基体性能变化的检测。J.Kushibiki等[11]基于场论与射线理论提出了V(z)曲线测量法。张泰华等[12]采用等离子电弧沉积法将压痕载荷分解为涂层和基底两部分，并从整个系统的响应中分离出涂层和基体的力学性质；王兴国等[13-15]通过界面处应力和位移保持连续性的边界条件建立了频散曲线数学模型，研究了陶瓷涂层-金属基体物理参量对声波传播的影响，为陶瓷涂层-金属基体的无损检测及性能检测提供了理论依据；赵艳[16]建立了激光在涂层/基底系统，分析该系统中的声表面波传播特性，进而得到基体的性能信息。因此在涂层部件中，基体材料的力学性能在役测试与监测越来越受到专家的广泛关注,但目前相关研究尚处于起步阶段[17-20]。超声检测具有方便、可靠和较大安全稳定性，因此对基体材料力学性能开展超声表征方法研究极其新颖，具有广泛的应用前景[21-22]。本文结合波动方程并采用改进全局矩阵方法，通过建立声波在涂层/基体模型的全局矩阵数学模型，得到了声波在层状介质中的频散曲线，研究了涂层结构不同基体的物理参数变化对频散曲线的影响。为超声在陶瓷/金属复合装甲的金属基体无损检测及性能检测提供一定的理论基础。

1 理论公式

图1是声波入射陶瓷/金属基体介质示意图。第一层为陶瓷，第二层为陶瓷/金属复合装甲的金属基体，频率为ω的纵波(P波)、横波(S波)以一定的入射角θ入射到界面i1处，在界面处发生反射和透射现象，分别反射P波、S波和透射P波，S波，同时透射波继续在下一界面处发生透射和反射现象，最后声波在界面i3处透射到空气中。涂层拉梅常数λ1，μ1，密度ρ1，厚度为h1；拉梅常数λ2，μ2，密度ρ2，基体厚度为h2。

图1 声波在陶瓷/金属复合装甲介质传播示意图

以u1表示固体层中的声场的水平质点位移，u3表示垂直质点位移，第n层位移和应力的关系式Pn=DnUn，其中Dn为第n层上下表面传递矩阵[13,23]。

(1)

以un1、un3分别表示第n层中的入射纵波、入射横波在x1方向上的投影，un2、un4分别表示界面发射纵波和反射横波在x1方向上的投影。根据声波在层状介质中的传播规律可以得到声波在介质中的位移和应力，如式(2)所示

(2)

其中：

Eq=exp(iξaqx3) (0lt;x3lt;dn,q=1,2,3…)

W1=-W2=α1,W3=-W4=-1/α3

用Dt表示上表面的传递矩阵，Db表示下表面的传递矩阵，如

(3)

2 边界条件

对每一个界面处位移和应力保持连续性，如式(4)所示

(4)

在第1层半无限空间里和第4层半无限空间里，“进入”陶瓷和基体的入射波幅值均为0，用“+”、“-”分别表示第n层入射波和反射波，因此：

(5)

(6)

(7)

(8)

将式(5)～式(8)代入式(4)中可以得到Ax=0形式的声波在陶瓷/金属基体介质中的频散方程，如式(9)所示：

(9)

式(9)为边界条件所得到的方程DU=0,为了矩阵方程恒有解，系统矩阵[D]必须为奇异矩阵，其行列式为零，即

(10)

式(10)即为陶瓷/金属基体系统的特征方程，利用Matlab软件对式(10)采用五点二分法进行编程数值求解，使得式(10)为零的解是声波在陶瓷/金属基体中频散特性的解。

3 声波在陶瓷/金属基体介质中的传播频散特性数值仿真

为了更好地研究声波在兵器复合装甲中陶瓷金属基体介质中的传播特性，以氮化硅陶瓷为覆层，铝和钢分别作为金属基体，通过式(10)可以获得声波在氮化硅陶瓷/金属基体介质中频散曲线。表1给出了氮化硅、铝和钢的声学参数[13]。

表1 氮化硅、铝和钢的声学参数

3.1基体材料对频散特性的影响

图2为不同基体材料声波传播特性。氮化硅陶瓷厚度为1 mm，金属基体为3 mm。实心曲线是基体为钢的频散曲线，空心曲线是金属基体为铝的频散曲线。从其中可知，空心曲线整体往右移动，但是从变化曲线来看，当频率小于0.8 MHz时，A0模态声波曲线变化差异较小，说明当频率小于0.8 MHz时A0模态超声波对基体的材料变化不敏感；当频率小于0.8 MHz时，S0模态的变化差异较大，也就是说当检测频率为0.8 MHz时的S0模态对材料的变化较敏感。这是由于铝基体和钢基体相比，铝的密度更接近陶瓷的密度，整个结构表现出类似各向同性板的行为。根据Snell定理和图2相速度频散曲线可确定发射探头合适的中心频率并确定发射探头入射角度激发S0模态检测基体的密度和材料性能参数变化。

3.2陶瓷/金属基体厚度对频散特性影响

图3为不同金属基体厚度的声波频散曲线。以铝作为基体，氮化硅陶瓷厚度为1 mm。实心曲线是基体厚度为1 mm频散曲线，空心曲线是基体的厚度为3 mm的频散曲线。由图3可知，当铝基体的厚度从1 mm增加到3 mm时，空心频散曲线整体往右移动；当频率小于1 MHz时，S0模态和A0模态变化差异较大。上述现象产生的原因在于，基体厚度3 mm与基体厚度1 mm相比，各层层厚相差较大且陶瓷在整个板厚中较薄，出现了类似表面波的质点振动现象，故而其低阶模态A0模态和S0模态相速度曲线在较大的频率段上重合。在实际检测当中，S0模态更加容易激发[13]，因此可以采用中心频率较低的发射探头激发S0模态超声波检测陶瓷/金属复合装甲基体厚度的变化。

图2 不同基体材料的声频散特性

图3 不同金属基体厚度的声频散特性

4 结论

本文采用波动方程和矩阵传递法，通过界面处应力和位移连续性的边界条件，建立了声波在陶瓷/金属复合装甲介质中的数学模型，得到了声波频散曲线，其有如下规律：

1) 当频率小于0.8 MHz时A0模态声波对基体的材料变化不敏感，S0模态对材料的变化较敏感。因此可以根据频散曲线选择合适模态检测陶瓷/金属复合装甲金属基体的密度和材料性能参数变化;

2) 当金属基体的厚度从1 mm增加到3 mm时，声波频散曲线整体往右移动；当频率小于1 MHz时，S0模态更易用于检测陶瓷/金属复合装甲的金属基体厚度变化。为利用超声波检测和监测陶瓷/金属复合装甲的基体性能参量变化提供了一定的理论依据。

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(责任编辑唐定国)

ResearchonInfluenceonMatrixPropertyofCeramic-MetalCompositeArmortoUltrasonicWaveTesting

CHEN Zhenglin1, ZHANG Xuefei1, WANG Gaochao1,2, ZHANG Huili1, WANG Xingguo3

(1.Banch of Mechanical Engineering, Nanchang Career College, Nanchang 330500 China; 2.School of Materials Science and Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063， China; 3.School of Mechanical and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403， China)

In order to study on ultrasonic testing on property change of matrix with automobile paint coating on active service. Mathematical model of ultrasonic propagation in the paint-coating medium have been established and dispersion curve of ultrasonic propagation in paint-coating medium have been attained by combining acoustic control equation and transfer matrix method with the boundary conditions of stress and displacement continuity. The influence on propagation characteristic of the different property have been studied. The simulation results show that the S0modal is sensitive to change of matrix material when the frequency is less than 0.8 MHz. thus it can select some modal to test parameter change of matrix. The dispersive curves move to the right as a whole when the thickness of matrix increase. The S0modal is fit to check the change of matrix thickness when the frequency is less than 0.8 MHz. It provide some theoretical base for using ultrasonic wave to test and supervise the parameter change of matrix property.

composite armor; wave equation; dispersion curve; inspection and monitoring

2017-05-05；

2017-06-15

国家自然科学基金项目(51565020)；中航工业江西景航航空科学项目(GK201503014);江西省教育厅科技项目(GJJ161485)

陈正林(1988—)，男，硕士，主要从事兵器装备检测技术研究。

王高潮(1956—)，男，博士，教授，主要从事国防航空材料及其检测技术研究。

机械制造与检测技术

10.11809/scbgxb2017.11.034

本文引用格式：陈正林，张雪飞，王高潮，等.陶瓷/金属复合装甲的基体性能对超声检测的影响[J].兵器装备工程学报，2017(11):155-158,196.

formatCHEN Zhenglin, ZHANG Xuefei, WANG Gaochao,et al.Research on Influence on Matrix Property of Ceramic-Metal Composite Armor to Ultrasonic Wave Testing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):155-158,196.

TB553

A

2096-2304(2017)11-0155-04